Đồ án Thiết kế và thi công mô hình ứng dụng IOT vào việc điều khiển giám sát các thiết bị điện trong nhà

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH ---------------------------------- ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG Đề Tài: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH ỨNG DỤNG IOT VÀO VIỆC ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT CÁC THIẾT BỊ ĐIỆN TRONG NHÀ GVHD: TS. Nguyễn Văn Thái SVTH: Nguyễn Huỳnh Tâm 16341022 Hình Đông Tịnh 16341024 Tp. Hồ Chí Minh – 01/2018 BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH -------------------------------- ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG Đề Tài: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH ỨNG DỤNG IOT VÀO VIỆC ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT CÁC THIẾT BỊ ĐIỆN TRONG NHÀ GVHD: TS. Nguyễn Văn Thái SVTH: Nguyễn Huỳnh Tâm 16341022 Hình Đông Tịnh 16341024 Tp. Hồ Chí Minh – 01/2018 i TRƢỜNG ĐH. SƢ PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TP. HỒ CHÍ MINH ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Tp. HCM, ngày 12 tháng 1 năm 2018 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Nguyễn Huỳnh Tâm MSSV:16341022 Hình Đông Tịnh MSSV:16341024 Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật điện tử truyền thông Mã ngành: 41 Hệ đào tạo: Đại học chính quy chuyển tiếp Mã hệ: 3 Khóa: 2016 Lớp: 163410 I. TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH ỨNG DỤNG IOT VÀO VIỆC ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT CÁC THIẾT BỊ ĐIỆN TRONG NHÀ. II. NHIỆM VỤ 1. Các số liệu ban đầu: Cảm ứng điện dung từ tay ngƣời ngƣời dùng ............................................................. ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... 2. Nội dung thực hiện: - Điều khiển thiết bị thông qua Internet và theo dõi trạng thái thiết bị ....................... - Lƣu trữ dữ liệu vào cơ sỡ dữ liệu .............................................................................. - Xây dựng web server ................................................................................................. - Thiết kế thi công mô hình ......................................................................................... ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 25/9/2017 IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 10/1/2018 V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƢỚNG DẪN: TS. NGUYỄN VĂN THÁI CÁN BỘ HƢỚNG DẪN BM. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH ii TRƢỜNG ĐH. SƢ PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TP. HỒ CHÍ MINH ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Tp. HCM, ngày 12 tháng 1 năm 2018 LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên 1: Nguyễn Huỳnh Tâm ........................................................................... Lớp: 163410A ............................................................... MSSV: 16341022 ....................... Họ tên sinh viên 2: Hình Đông Tịnh ................................................................................. Lớp: 163410A ............................................................... MSSV: 16341024 ....................... Tên đề tài: Thiết kế và thi công mô hình ứng dụng IoT vào việc điều khiển giám sát các thiết bị điện trong nhà ................................................................................................. ........................................................................................................................................... Tuần/ngày Nội dung Xác nhận GVHD Tuần 4 (tháng 9) Tìm hiểu sản phẩm thị trƣờng về công tắc thông minh. Tuần 1 (tháng 10) Tìm hiểu hoạt động của mạch ESP, nguồn, cảm ứng điện dung, mạch công suất. Tuần 2+3 (tháng 10) Thiết kế mạch nguồn, mạch công suất. Tuần 4 (tháng 10) Thiết kế mạch cảm ứng điện dung, mạch ESP Tuần 1 (tháng 11) Kiểm tra mạch, chỉnh sửa thiết kế Tuần 2+3 (tháng 11) Tìm hiểu về web server, cơ sở dữ liệu,... Tuần 4 tháng 11 Thiết kế web server, cơ sở dữ liệu,.... + chỉnh sửa, thiết kế board mạch Tuần 1 (tháng 12) Thiết lập kết nối ESP và server + chỉnh sửa thiết kế board mạch Tuần 2 (tháng 12) Chỉnh sửa phần cứng và phần mềm Tuần 3 (tháng 12) Tìm hiểu html, css, javascript,... Tuần 4 (tháng 12) Chỉnh sửa giao diện web Tuần 1 (tháng 1/2018) + hiện tại Kiểm tra hệ thống, chỉnh sửa + viết báo cáo. GV HƢỚNG DẪN (Ký và ghi rõ họ và tên) iii LỜI CAM ĐOAN  Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH ỨNG DỤNG IOT VÀO VIỆC ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT CÁC THIẾT BỊ ĐIỆN TRONG NHÀ  GVHD: TS. NGUYỄN VĂN THÁI  Họ tên sinh viên 1: NGUYỄN HUỲNH TÂM MSSV: 16341022 Lớp: 163410A Số điện thoại liên lạc: 0972797876 Email: 16341022@student.hcmute.edu.vn  Họ tên sinh viên 2: HÌNH ĐÔNG TỊNH MSSV: 16341024 Lớp: 163410A Số điện thoại liên lạc: 01678922669 Email: 16341024@student.hcmute.edu.vn “Tôi xin cam đoan khoá luận tốt nghiệp (ĐATN) này là công trình do chính tôi nghiên cứu và thực hiện. Tôi không sao chép từ bất kỳ một bài viết nào đã được công bố mà không trích dẫn nguồn gốc. Nếu có bất kỳ một sự vi phạm nào, tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm”. Ngƣời thực hiện đề tài Nguyễn Huỳnh Tâm Hình Đông Tịnh iv LỜI CẢM ƠN Chúng em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy Nguyễn Văn Thái đã trực tiếp hƣớng dẫn và tận tình giúp đỡ, tạo điều kiện để chúng em hoàn thành tốt đề tài. Chúng em xin chân thành cảm ơn Thầy Nguyễn Hữu Trung, giảng viên Khoa Công nghệ thông tin, đã góp ý và chia sẻ nhiều kinh nghiệm quý báu để chúng em có thể thực hiện tốt đề tài. Chúng em xin gửi lời chân thành cảm ơn các thầy cô trong Khoa Điện-Điện Tử đã tạo những điều kiện tốt nhất cho chúng em trong quá trình thực hiện đồ án. Chúng em c ng gửi lời đồng cảm ơn đến các bạn lớp 16341 đã chia sẻ trao đ i kiến thức c ng nhƣ những kinh nghiệm quý báu giúp đỡ chúng em hoàn thành Đồ án tốt nghiệp này. Xin chân thành cảm ơn! Ngƣời thực hiện đề tài Nguyễn Huỳnh Tâm Hình Đông Tịnh v MỤC LỤC NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ............................................................................i LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ................................................. ii LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... iii LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................iv MỤC LỤC ................................................................................................................... v LIỆT KÊ HÌNH ........................................................................................................ vii LIỆT KÊ BẢNG .......................................................................................................... x TÓM TẮT ĐỒ ÁN .....................................................................................................xi Chƣơng 1. TỔNG QUAN .............................................................................................. 1 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ ....................................................................................................... 1 1.2 MỤC TIÊU ............................................................................................................ 2 1.3 NỘI DUNG THỰC HIỆN ..................................................................................... 2 1.4 GIỚI HẠN ............................................................................................................. 2 1.5 BỐ CỤC ................................................................................................................ 3 Chƣơng 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ................................................................................. 4 2.1 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA CÔNG TẮC ................................................ 4 2.1.1 Điều khiển trực tiếp từ mô hình ..................................................................... 4 2.1.2 Điều khiển thông qua web .............................................................................. 4 2.2 GIỚI THIỆU VỀ PHẦN CỨNG ........................................................................... 5 2.2.1 Mạch cảm ứng điện dung ............................................................................... 5 2.2.2 Mạch công suất ............................................................................................... 8 2.2.3 Mạch xử lý trung tâm ................................................................................... 10 2.2.4 Mạch nguồn .................................................................................................. 18 2.3 GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM ........................................................................... 23 2.3.1 Web server .................................................................................................... 23 2.3.2 Cơ sở dữ liệu................................................................................................. 24 Chƣơng 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ .................................................................. 26 3.1 GIỚI THIỆU ........................................................................................................ 26 3.2 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ........................................................ 27 3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống ........................................................................ 27 3.2.2 Tính toán và thiết kế mạch ........................................................................... 28 Chƣơng 4. THI CÔNG HỆ THỐNG ......................................................................... 41 4.1 GIỚI THIỆU ........................................................................................................ 41 4.2 THI CÔNG HỆ THỐNG ..................................................................................... 41 vi 4.2.1 Thi công bo mạch ......................................................................................... 41 4.2.2 Lắp ráp và kiểm tra ....................................................................................... 51 4.3 ĐÓNG GÓI VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH ............................................................ 57 4.3.1 Đóng gói bộ điều khiển ................................................................................ 57 4.3.2 Thi công mô hình .......................................................................................... 58 4.4 LẬP TRÌNH HỆ THỐNG ................................................................................... 58 4.4.1 Lƣu đồ giải thuật của Web Server ................................................................ 58 4.4.2 Lƣu đồ giải thuật của ESP ............................................................................ 60 4.4.3 Phần mềm lập trình cho ESP ........................................................................ 61 4.4.4 Phần mềm lập trình cho Web ....................................................................... 63 4.4.5 Phần mềm xây dựng cơ sở dữ liệu ............................................................... 64 4.5 HƢỚNG DẪN SỬ DỤNG, THAO TÁC ............................................................ 65 Chƣơng 5. KẾT QUẢ NHẬN XÉT ĐÁNH GIÁ ...................................................... 68 5.1 MẠCH CẢM ỨNG ĐIỆN DUNG ...................................................................... 68 5.2 MẠCH XỬ LÝ TRUNG TÂM ........................................................................... 69 5.3 MẠCH CÔNG SUẤT ......................................................................................... 69 5.4 MẠCH NGUỒN .................................................................................................. 70 5.5 KẾT QUẢ MÔ HÌNH ......................................................................................... 71 5.5 KẾT QUẢ PHẦN MỀM ..................................................................................... 71 Chƣơng 6. KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN .............................................. 73 6.1 KẾT LUẬN ......................................................................................................... 73 6.2 HƢỚNG PHÁT TRIỂN ...................................................................................... 73 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 74 PHỤ LỤC ..................................................................................................................... 76 vii LIỆT KÊ HÌNH Hình 2.1: IC Cảm ứng điện dung AT42QT2120. ............................................................ 5 Hình 2.2: Sơ đồ chân của AT42QT2120. ........................................................................ 6 Hình 2.3: Triac BTA12 – 600BRG. ................................................................................ 8 Hình 2.4: Sơ đồ chân của triac BTA12 – 600BRG. ........................................................ 8 Hình 2.5: Sơ đồ chân và cấu tạo của MOC3020. ............................................................ 9 Hình 2.6: Sơ đồ chân ESP8266. .................................................................................... 11 Hình 2.7: Sơ đồ nguyên lý cho ESP8266. ..................................................................... 13 Hình 2.8: Module tích hợp ph biến (Module ESP-12F). ............................................. 14 Hình 2.9: Sơ đồ chân của module ESP-12F. ................................................................. 15 Hình 2.10: IC FT232. .................................................................................................... 17 Hình 2.11: IC CP2102. .................................................................................................. 17 Hình 2.12: IC PL-2303. ................................................................................................. 17 Hình 2.13: IC CH340G. ................................................................................................. 18 Hình 2.14: IC nguồn LNK3206G. ................................................................................. 19 Hình 2.15: Sơ đồ khối chức năng của LNK3206G. ...................................................... 20 Hình 2.16: Sơ đồ chân của LNK3206G. ....................................................................... 20 Hình 2.17: IC MC34063. ............................................................................................... 21 Hình 2.18: Sơ đồ chân của MC34063. .......................................................................... 22 Hình 2.19: Sơ đồ khối chức năng của MC34063. ......................................................... 22 Hình 2.20: Cách thức giao tiếp với web server. ............................................................ 24 Hình 3.1: Sơ đồ khối của hệ thống. ............................................................................... 27 Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý của khối cảm ứng điện dung. ............................................. 28 Hình 3.3: Sơ đồ khối của mạch ESP-12. ....................................................................... 30 Hình 3.4: Sơ đồ nguyên lý của mạch reset. ................................................................... 31 Hình 3.5: Sơ đồ nguyên lý của mạch nguồn sử dụng nguồn từ c ng USB. .................. 31 Hình 3.6: Sơ đồ nguyên lý mạch nạp cho ESP. ............................................................. 32 Hình 3.7: Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển GPIO. ...................................................... 33 Hình 3.8: Sơ đồ nguyên lý của khối xử lý trung tâm. ................................................... 34 Hình 3.9: Sơ đồ nguyên lý của khối công suất. ............................................................. 37 Hình 3.10: Sơ đồ nguyên lý của mạch 220VAC – 12VDC........................................... 38 Hình 3.11: Sơ đồ nguyên lý mạch 12VDC-3,3VDC. .................................................... 39 viii Hình 4.1: Ảnh thực tế board mạch của mô hình. ........................................................... 42 Hình 4.2: Sơ đồ bố trí linh kiện mặt trên của PCB thứ 1. ............................................. 42 Hình 4.3: Sơ đồ đi dây mặt trên của PCB thứ 1. ........................................................... 43 Hình 4.4: Sơ đồ bố trí linh kiện mặt dƣới của PCB thứ 1. ............................................ 43 Hình 4.5: Sơ đồ đi dây mặt dƣới của PCB thứ 1. .......................................................... 44 Hình 4.6: Sơ đồ mạch in của PCB thứ 1. ...................................................................... 44 Hình 4.7: Sơ đồ bố trí linh kiện mặt trên của PCB thứ 2. ............................................. 45 Hình 4.8: Sơ đồ đi dây mặt trên của PCB thứ 2. ........................................................... 45 Hình 4.9: Sơ đồ bố trí linh kiện mặt dƣới của PCB thứ 2. ............................................ 46 Hình 4.10: Sơ đồ đi dây mặt dƣới của PCB thứ 2. ........................................................ 46 Hình 4.11: Sơ đồ mạch in của PCB thứ 2. .................................................................... 47 Hình 4.12: Sơ đồ bố trí linh kiện mặt trên của PCB thứ 3. ........................................... 47 Hình 4.13: Sơ đồ đi dây mặt trên của PCB thứ 3. ......................................................... 48 Hình 4.14: Sơ đồ bố trí linh kiện mặt dƣới của PCB thứ 3. .......................................... 48 Hình 4.15: Sơ đồ đi dây mặt dƣới của PCB thứ 3. ........................................................ 48 Hình 4.16: Sơ đồ mạch in của PCB thứ 3. .................................................................... 49 Hình 4.17: Mặt trên khối nguồn. ................................................................................... 51 Hình 4.18: Mặt dƣới khối nguồn. .................................................................................. 52 Hình 4.19: Mặt trên khối công suất. .............................................................................. 53 Hình 4.20: Mặt dƣới khối công suất. ............................................................................. 53 Hình 4.21: Mặt trên PCB thứ 2. .................................................................................... 54 Hình 4.22: Mặt dƣới PCB thứ 2. ................................................................................... 55 Hình 4.23: Mặt trên của mạch nạp USB-UART. .......................................................... 56 Hình 4.24: Mặt dƣới của mạch nạp USB-UART. ......................................................... 56 Hình 4.25: Board công tắc IoT. ..................................................................................... 57 Hình 4.26: Thiết kế vỏ hộp bằng phần mềm Solidworks. ............................................. 58 Hình 4.27: Lƣu đồ của server. ....................................................................................... 59 Hình 4.28: Lƣu đồ của ESP. .....................